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1、挤压熟化饲料加工工艺 及配方管理,中国农业科学院饲料研究所水产动物营养与饲料研究室,水产饲料膨化挤压加工工艺,发展史,1797英国人研制的手动活塞压力机，制作无缝铅管、瓦片、肥皂和通心面； 1869英国人研制的双螺杆连续挤压机，制作肉肠； 1873Phoenix Gummiwerke AG开发单螺杆挤压机，加工橡胶； 1940s-熟化加压机的开发，生产干的狗粮； 1950s-有了加压的预调制器，达到100预熟化； 1960s半湿的宠物饲料、糊化淀粉、饼干粉及组织大豆蛋白； 1980s美国的双螺杆膨化机开始发展； 1990s第三代弱剪切-低热挤压机（reduced shear/heat extr
2、uders)、预调制器、直接蒸汽注入和带放气孔的机镗。,挤压熟化的定义,是靠水、压力、温度和机械剪切的综合作用使得已着湿的、可膨胀的、淀粉类的和或蛋白类的物质塑化并熟化的连续工艺过程； 是将热能和机械能导入食品/或饲料原料中的一种手段，使原料中的淀粉和蛋白质等基本成分发生化学和物理变化，同时形成预定的形状。,基本概念,按调制方法分 湿法膨化 干法膨化 按螺杆结构分 单螺杆挤压机（图） 双螺杆挤压机（图）,料斗；2.喂料绞龙；3.调制器； 4.喂料段；5.蒸汽或水夹套调温部分； 6. 模板；7.出料皮带输送机； 8.变速器；9.主电机,基本词汇,预调制器一种调节原料水分和温度的装置，使物料进入挤
3、压机前部分或完全熟化； 螺杆将物料输送通过挤压机的部件（图1） 螺套-增加行程 螺片螺杆的螺旋形输送表面，将物料向前推进（图1） 索片-增加剪切力，后挫力，提高滞留时间，糊化度 剪切一种揉捏、搅拌作用，使输送的物料匀质、受热 模板使制品出机时成型的末端装置。可在模板上直接钻孔，或将模板做成圆孔状，装上设计复杂、用耐磨材料制成的压模嵌入件，使物料成型 切刀将挤压物切割成所要求的长度的装置,图1 螺 杆,螺距的作用,螺距：容积（体积）位移能力（输送量） 螺距影响到： 物料充盈程度 物料滞留时间,膨化挤压对饲料的综合作用 饲料颗粒成型度 高蛋白质原料经挤压加工颗粒（优） 高碳水化合物原料经挤压加工颗
4、粒（中） 普通硬颗粒饲料（差） 饲料漂浮度（溶重：480g/L(转折点） 全漂浮 慢沉或反复沉浮颗粒（漂浮下沉上浮） 高度的多孔性和充分发展的蛋白间质结构，缓慢释放油脂和可溶性糖 下沉,工艺流程图（原料准备）,不同类型饲料的挤压技术,浮性饲料 半湿性饲料 沉性饲料 慢沉性饲料,螺杆 模板开孔面积比 挤压机内温度和压力 蒸汽和水 淀粉含量 脂肪含量,预调制,优点 提高挤压机部件寿命 提高产量 提高产品质量 提高单螺杆挤压弹性 降低机械能，增加热能输入,目的 物料初步熟化 搅拌 使物料碎粒水合，干核(Dry Core)消失，提高热传导性,预调制,Inlet,水，70,2-3大气压,脂肪,蒸汽， 2
5、.5-3大气压，100,出料，70-80，18-30%水分， 1/3熟化,挤压加工浮性鱼饲料,调制器中注入蒸汽和水 螺杆:L/D=13.5:1-15.5:1 物料至少含20%淀粉 挤压产物在出模前温度达到125-138，34-37个大气压， 挤压后，容重为320-400g/L， 25-30%水分 进一步干燥（水分10%），还可增进漂浮性。,挤压加工浮性鱼饲料,1-2分钟,喂料区 （粉状）,揉合区 （面团状）,熟化区 （接近液态）,揉合区揉合组件特征,输送方向调整 偏角 索片宽度 索片数目 螺旋数目（单/双螺旋）,挤压加工沉性鱼饲料,螺杆:L/D=16.5:1-19.5:1 调制器中注入水（不注
6、入或少注入蒸汽） 挤压产物在出模前达到26-30个大气压，28-30%水分 挤压后，容重为450-550g/L，温度80，水分22-27% 带放气口的模头可以降低产物温度，水分和膨胀率 过度干燥会使沉性饲料上浮,挤压加工沉性虾饲料,调制器中蒸汽流量约为物料流量5-7%，水流量为物料流量10-15% 挤压产物在出模前达到13-16个大气压，28-30%水分 挤压后，容重不低于550g/L，温度120，水分26% 配有出气孔，并能抽气，真空度为250mmHg 出烘干机水分12-16%，再冷却降低到10%以内,挤压加工沉性饲料,25-30% 70-85 30-40,放气孔,挤压机自变量,喂料速度 出
7、预调制器的物流 蒸汽流 水流 其他添加成分（肉汁、油脂等） 挤压机转速 挤压机结构配置 模板结构,挤压机因变量,产品容重 出料口水分 出料口温度,水分的重要性,饲料性能 成品率 稳定性 营养保留率 单位产量 配方成品 膨化机运转成本 膨化机最佳工作范围,快速水分测定仪非常重要,挤压物的膨胀,挤压物膨胀，产品密度改变，显著影响饲料外观，质地、适口性、水稳定性和飘浮性等；其宏观结构的变化可用产品的膨胀度和密度或容重（g/L)表示； 膨胀度=膨化制品的截面积/挤压机模孔截面积 膨胀主要原因：压模膨胀和水的骤蒸发，后者的膨胀更大； 水分的骤蒸发的关键是粘弹性物体在出模时温度高于100 ，粘弹体重的水蒸
8、气成为种核气泡（挤压物膨胀示意图）； 注入CO2或添加碳酸氢钠之类的产气化合物，将增强挤压物的膨胀；,挤压物的膨胀,影响挤压物膨胀的因素淀粉,纯淀粉的最大膨胀比是500%，其次为全谷物粉（400%）、饲料混合物（200-300%，淀粉含量40-50%）、油料（150-200%，淀粉含量0-10%）； 直链淀粉与支链淀粉之比是决定饲料膨胀比的重要因素，1:1将达到最大膨胀比，大多数天然淀粉含直链淀粉20-30%； 含水量和温度对淀粉膨胀比影响显著； 不同来源淀粉存在差异，小麦、玉米、稻米中的谷物淀粉具有较好的膨化效果，块茎淀粉不仅具有良好的膨化性能，还具有十分好的粘结能力，糙米膨化效果差。,影响
9、挤压物膨胀的因素淀粉,常温或低温条件下，长期放置的-淀粉会逐渐变硬，这种现象叫淀粉的凝沉或回生，也叫淀粉老化，成为-淀粉； 老化淀粉不再溶于水，也不能被酶分解； 一般聚合程度高的淀粉易老化，直链淀粉较支链淀粉易老化。,直链淀粉含量对膨胀度的影响,影响挤压物膨胀的因素模板,加大压模尺寸会减弱压模正常受力，剪切率和温度下降，导致粘度加大，从而减弱膨胀，提高容重。,完全熟化但膨胀较低的沉性水产或宠物饲料使用的模头开孔面积为550-600mm2 /吨/小时； 高度膨胀食品或浮性水产饲料使用的模头开孔面积为200-250mm2 /吨/小时； 慢沉性饲料模头开孔面积为300-350 /吨/小时。,模板孔径
10、与淀粉的共同作用,螺杆形状对膨胀的影响,螺杆转速对膨胀的影响,螺杆转速增加提高单位产品机械能 单位产品机械能提高降低产品容重，利于膨胀,膨胀比-直链淀粉含量、温度和水分,最大膨胀比挤压条件：机镗温度140，水分14%； 100-170 之间，提高温度可增强膨胀，再升高温度则减弱； 增加含水量通常使膨胀急剧减弱。,影响挤压物膨胀的因素其它,麸皮颗粒易使处于临界厚度的气泡孔壁破裂而降低膨胀程度； 增加脂肪含量（5%以内）可增强挤压膨胀，超过此限则膨胀急剧减弱； （宠物料）加糖（1-15%）削弱膨胀，加盐（0-3%）只轻微削弱膨胀或没有影响；,模口形状对饲料产品外观的影响,模口形状,装载量 物料容重
11、（g/L) 糊化度 饲料外观,96.7% 304 92%,70.0% 336 80%,表面光滑致密，圆柱形饲料 多孔状表面，球形饲料,LL=1.5*die,纵向膨胀,LL=1.0*die,辐射膨胀,真空对产品密度的影响,几种常见饲料原料平均容重（g/L),烘干/冷却,烘干/冷却设备,单层： 对于产量低的生产线较理想 设计简单，常用做实验室设备 双层： 最常用、最流行的设备 膨化产品最理想的干燥设备 干燥/冷却一体或分体 多层： 对于高品质、高知水产饲料十分合适 干燥/冷却一体或分体 节省地面空间,烘干/冷却设备,*Wenger Dryer,烘干/冷却（后熟化过程）,产品均匀地散布在移动中的输送
12、器上，热空气一般以1m/s的匀速穿过，作用温度为100-200； 最初4-6分钟，物料可承受177-199 的烘干温度，而不破坏营养价值，之后，空气温度应降低，以免发生美拉德反应； 产品本身决定烘干条件，如淀粉含量高，则不宜太厚，否则影响产品形状； 2层或多层的烘干机，不仅有效提高烘干面积，还能防止结块； 饲料形状及物料厚度决定烘干时间长短，防止产生湿心现象；,Zone 1, 150; Zone 2,3,490 ,Zone 1,Zone 2,Zone 3,Zone 4,现实中的问题： 上层2区还是3区？,典型的干燥周期,加热作业空气 新鲜风补入替代排风 加热空气由循环 风机吸入 部分循环风被排
13、掉 热空气施加于产品上 水蒸气被循环风带走 热空气将能量传递给产品 热空气中的热量蒸发掉 产品表面的水分,控制干燥工艺的主要变量,操作温度 以尽可能高的温度 空气湿度 尽可能干的空气，但不 能牺牲整个系统的效率 空气分配 均匀分配 干燥时间 适当 产品分布 均匀的分布厚度 产品种类 物力、化学性能、形状、尺寸等,饲料形状与烘干时间,*Wenger Process Description,高油脂饲料的生产,尽量利用饲料原料中的油脂，主机中可处理12%油脂，其余部分需要后加工； 加压调制器 真空或常压后喷涂机,油脂及热敏性物质的后添加技术,先喷涂水溶性热敏物质，后喷涂油脂 烘干之后冷却之前喷涂油脂
14、，可促进动物油脂吸收。,常压喷涂后,真空喷涂后,返工料 （开机废品和细粉回料）,返工物料为混合料总量活干料喂入量的5%，不得超过10%,返工料对饲料成品的影响,颜色加深 膨胀减小，增加容重 熟化度提高，可能过度熟化 外形轮廓更分明 蛋白原料的功能性下降 如连续2批之间，一批加返工料，另一批未加，产品性能区别较大，需调整挤压机参数 沉性饲料可以适当提高添加量，但饲料水中稳定性会降低,包装与贮存 较为彻底杀灭细菌、病毒等有害微生物 高压下，还可杀死耐热性很强的芽孢 饲料水分控制8%以下，可以较普通硬颗粒保存更长时间。 带内衬的牛皮纸袋包装 保证烘干均匀，没有湿心，水分10% 对于半湿饲料，保证水分
15、活度（Aw)在0.65以内，可以抑制大部分微生物生长,膨化工艺对微生物菌群的影响,标准平板计数法 (CFU/G),酵母 & 霉菌,配方 2,200,000 74,000 膨化* 3,700 10,* 沙门氏菌呈现阴性,饲料中防止微生物生长的措施 最大限度降低加工后污染的可能性； 加工过程中控制水分活度(Aw)，而不仅仅是水分含量； 避免在加工后提高水分活度的条件的存在； 添加防霉剂,措施1：降低加工后污染可能性,空气 卫生 水分 设备 人 原料 包装,措施2：加工过程中控制产品的水分活度,干饲料中微生物生长有水分含量，或更确切地说是由水分活度决定的。,水分活度定义（Aw),水分活度表示微生物生长所需水分的数量指标： Aw=Pb/Pf =相对湿度/100 Pb:试样表面水分压 Pf:敞开水面水分压 实验室仪器可以在5min内测定水分活度,几种微生物生长最低Aw需求,无微生物 生长区,0,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,除耐干燥种类 之外的酵母 和霉菌,大部分麦霉 及酵母,噬盐性菌,大部分青霉 及耐受力较
